Вінницький НАЦІОНАЛЬНИЙ технічний УНІВЕРСИТЕТ
Бурикін Олександр Борисович
УДК 621.311.161
Взаємовплив електричних мереж електроенергетичної системи в процесі оптимального керування їх режимами
Спеціальність 05.14.02 – Електричні станції, мережі і системи
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Вінниця – 2007
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Лежнюк Петро Дем’янович,
Вінницький національний технічний університет,
завідувач кафедри електричних станцій та систем
Офіційні опоненти: – доктор технічних наук, професор
Варецький Юрій Омелянович,
Національний університет “Львівська політехніка”,
професор кафедри електричних систем і мереж–
кандидат технічних наук,
старший науковий співробітник
Тугай Юрій Іванович,
Інститут електродинаміки НАН України, м. Київ,
провідний науковий співробітник відділу
оптимізації систем електропостачання
Провідна установа: Донецький національний технічний університет,
кафедра електричних систем,
Міністерство освіти і науки, м. Донецьк
Захист відбудеться “ 16 ” березня 2007 р. о 14.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 05.052.05 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.
Автореферат розісланий “ 14 ” лютого 2007 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Зелінський В.Ц.
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. У електроенергетичних системах (ЕЕС), об’єднаних на паралельну роботу міжсистемними зв’язками, спостерігається взаємовплив їх режимів. Через неоднорідність електричних мереж ЕЕС взаємовплив режимів негативно відображається на перетоках потужностей між сусідніми системами (взаємні зовнішні перетоки), на перетоках між електричними мережами різної напруги розглядуваної системи (взаємні власні перетоки), а також на наскрізних (транзитних) перетоках потужності електричними мережами (транзитні перетоки). Одним з наслідків взаємовпливу режимів електричних мереж ЕЕС є додаткові втрати електроенергії.
Зі змінами в структурі енергетичної галузі та переходом на інший рівень функціонування з’явились нові і загострилися існуючі проблеми. Зокрема це стосується проблем транспортування та розподілу електроенергії. На сьогодні технологічні витрати електроенергії під час її транспортування та розподілу в мережах України внаслідок різних об’єктивних та суб’єктивних причин зросли і майже вдвічі перевищують аналогічні показники західних країн.
Суттєву економію енергоресурсів в процесі експлуатації ЕЕС можна забезпечити за рахунок впровадження електроощадних заходів та оптимального керування їх нормальними режимами. Однією з умов забезпечення ефективності заходів по зменшенню втрат електроенергії є їх структурування за причинами, що зумовлюють їх понаднормативні значення, та за приналежністю їх окремим суб’єктам господарювання. Для розв’язання цієї задачі необхідні відповідні методи виділення складових втрат потужності в електричних мережах енергосистем, в тому числі викликаних взаємними і транзитними перетоками, та розподілу їх між учасниками енергообміну з метою подальшого аналізу і прийняття оптимальних рішень щодо їх зменшення.
На сьогоднішній день розроблено ряд методів виділення та розподілу складової втрат потужності, що пов’язана з взаємовпливом режимів ЕЕС: пропорційні методи, що базуються на припущенні про рівні внески у втрати в ЕЕС вузлів генерування і споживання; граничні методи, що базуються на коефіцієнтах приросту втрат потужності залежно від зміни навантаження у вузлах; дольові методи, що базуються на визначенні потокорозподілу та лінеаризованому розподілі втрат від кожного учасника енергообміну.
Однак, наявні методи розподілу втрат потужності для дослідження взаємовпливу режимів електричних мереж ЕЕС не завжди ефективні та задовольняють сучасним вимогам, оскільки вони не дозволяють виділити втрати від окремого взаємного або транзитного перетоку електроенергії та часто базуються на припущеннях, що зменшують їх точність. Підвищення адекватності аналізу додаткових втрат від взаємних і транзитних перетоків потужності та створення ефективної системи керування ними, дозволить скористатись наявними регулюючими пристроями (РП) для компенсації негативних проявів взаємовпливу режимів електричних мереж ЕЕС, що забезпечить передумови підвищення якості їх експлуатації, в тому числі, в темпі процесу.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дисертація виконана в плані наукових досліджень, проведених кафедрою електричних станцій та систем Вінницького національного технічного університету за держбюджетними темами “Розробка критеріїв оцінки і способів аналізу чутливості оптимальних рішень в електроенергетиці” (№ держреєстрації 0101U004670), “Самооптимізація електроенергетичних систем на основі принципу найменшої дії” (№ держреєстрації 0104U000742).
Мета і задачі дослідження. Метою даної дисертаційної роботи є розробка методів та засобів аналізу взаємовпливу режимів електричних мереж ЕЕС і зменшення втрат електроенергії від взаємних і транзитних перетоків потужності в них.
Для досягнення поставленої мети в роботі розв’язано такі основні задачі:–
аналіз існуючих методів розподілу втрат потужності в електричних мережах ЕЕС для виділення додаткових втрат, викликаних взаємовпливом їх режимів;–
дослідження та аналіз задач, пов’язаних з впливом взаємних і транзитних перетоків на значення додаткових втрат потужності в ЕЕС;–
розробка методу визначення втрат потужності в заданих вітках електричної мережі від навантаження окремих вузлів, які можуть належати іншій електричній мережі;–
розробка математичної моделі взаємних і транзитних перетоків потужності, зумовлених неоднорідністю ЕЕС, та моделювання процесу оптимального керування ними;–
розробка алгоритму розподілу втрат потужності ЕЕС між суб’єктами енергообміну;–
розробка алгоритму визначення додаткових втрат потужності від взаємних і транзитних перетоків електричних мереж ЕЕС;–
розробка алгоритмів оптимального керування транзитними та взаємними перетоками потужності для компенсації їх неоптимальності в межах окремої електричної мережі та ЕЕС в цілому, з використанням узагальнюючих методів теорії подібності.
Об'єктом дослідження є нормальні режими електроенергетичних систем.
Предмет дослідження – методи аналізу взаємовпливу режимів ЕЕС та оптимізації взаємних і транзитних перетоків.
Методи дослідження. Для аналізу та розв’язання поставлених задач використані узагальнювальні методи теорії подібності і моделювання, методи лінійного та нелінійного програмування. Усталені режими моделюються і аналізуються на базі методу вузлових напруг. Для розробки алгоритмів і програм аналізу взаємовпливу та формування законів оптимального керування потоками потужності в ЕЕС використовувались матрична алгебра, теорія графів, декомпозиція та об’єктно-орієнтований аналіз.
Наукова новизна одержаних результатів. Основні результати, що становлять наукову новизну, такі:–
встановлено залежність втрат потужності, зумовлених взаємними і транзитними перетоками в ЕЕС, від неоднорідності електричних мереж, що може бути використано для підвищення ефективності оптимального керування нормальними режимами ЕЕС і зменшення в них додаткових втрат електроенергії;–
вперше розроблено метод визначення коефіцієнтів розподілу втрат потужності з лінійним представленням навантаження і використанням результатів розрахунку усталеного режиму, що дозволяє визначити втрати потужності у вітках електричної мережі від навантажень заданих вузлів, які можуть належати іншій електричній мережі;–
сформульовано умови оптимальності взаємних і транзитних перетоків потужності в ЕЕС, що дозволило вдосконалити метод визначення оптимізуючих впливів в системі автоматичного керування потоками потужності і напругою в ЕЕС.
Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність роботи полягає в тому, що на основі методу визначення коефіцієнтів розподілу втрат потужності розроблено алгоритми визначення додаткових втрат потужності від взаємних і транзитних перетоків як наслідку взаємовпливу режимів електричних мереж ЕЕС та вдосконалено систему автоматичного керування потоками потужності і напругою в ЕЕС. А саме:–
розроблено алгоритми визначення додаткових втрат потужності, зумовлених взаємними і транзитними перетоками в електричних мережах ЕЕС, з метою аналізу і оцінки їх впливу на режими роботи системи;–
розроблено алгоритм формування законів оптимального керування та керувальних впливів локальної системи автоматичного керування (САК) потоками потужності і напругою в ЕЕС;–
розроблено алгоритм прийняття оптимальних рішень щодо керування взаємними і транзитними перетоками потужності в ЕЕС, який дозволяє підвищити ефективність роботи систем оперативно-диспетчерського керування за рахунок врахування взаємовпливу режимів електричних мереж ЕЕС.
На основі розроблених методів та алгоритмів модифіковано програмний комплекс аналізу чутливості та оптимізації нормальних режимів ЕЕС (АЧП), який призначено для розрахунків, структурування та аналізу втрат потужності і електроенергії.
Особистий внесок здобувача. Усі результати, які складають основний зміст дисертаційної роботи, отримані автором самостійно.
У роботах, опублікованих у співавторстві автору належать: [1] – розробка методу формування матриці коефіцієнтів розподілу втрат потужності з приведенням параметрів схеми до однієї напруги та алгоритму визначення втрат потужності в вітках електричної мережі від заданих вузлів; [2] – формування законів керування додатковими втратами потужності від транзитних і взаємних перетоків та виконання технічних розрахунків, результати яких підтверджують актуальність та правильність поставленої задачі на дослідження; [3] – порівняльний аналіз існуючих методів розподілу втрат потужності між суб’єктами енергообміну; [4] – вдосконалення методу формування матриці коефіцієнтів розподілу втрат потужності та розробка алгоритму визначення втрат потужності в заданих вітках від заданих вузлів електричної мережі з врахуванням коефіцієнтів трансформації в явному вигляді; [5] – розробка алгоритму розподілу додаткових втрат потужності від взаємних і транзитних перетоків з використанням функціональних залежностей між параметрами режиму, що може бути використано у мікропроцесорному контролері; [6] – розробка методу та алгоритму визначення додаткових втрат потужності від транзитних перетоків між суб’єктами енергообміну у радіальних розподільчих електричних мережах; [7] – аналіз задач, пов’язаних з взаємними і транзитними перетоками паралельно працюючих електричних мереж та встановлення залежності додаткових втрат потужності викликаних взаємовпливом режимів ЕЕС від коефіцієнтів трансформації трансформаторів зв’язку; [8] – розробка алгоритму визначення додаткових втрат потужності від взаємних і транзитних перетоків з лінійним представленням навантаження.
Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи та її результати доповідалися й обговорювалися на міжнародній науково-технічній конференції “Контроль і управління в складних системах” (Вінниця, 2005); міжнародній науково-практичній конференції “Прогресивні інформаційні та комп’ютерні технології для підвищення ефективності функціонування енергопостачальних компаній та електроенергетичних систем” (Яремче, 2005); міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми експлуатації магістральних і розподільчих мереж. Перспективні напрямки підвищення надійності електропостачання” (Славське, 2005); науково-технічній конференції Міністерства палива та енергетики України “Концептуальні положення Енергетичної стратегії України на період до 2030 року та дальшу перспективу” (Ніколаєвка, 2005); XIII міжнародній науково-технічній конференції “International Symposium on Theoretical Electrical Engineering” (Львів, 2005); міжнародній науково-практичній конференції “Прогресивні інформаційні та комп’ютерні технології для підвищення ефективності функціонування енергопостачальних компаній та електроенергетичних систем” (Яремче, 2006); міжнародній науково-технічній конференції “Підвищення рівня ефективності енергоспоживання в електротехнічних пристроях і системах” (Луцьк, 2006); міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми сучасної електротехніки” ПСЕ-2006 (Київ, 2006).
Публікації. За результатами проведених досліджень опубліковано 5 наукових робіт в провідних фахових виданнях та 3 статті у збірниках матеріалів міжнародних конференцій.
Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (101 найменування), чотирьох додатків. Основний зміст викладений на 135 сторінках друкованого тексту, містить 26 рисунків, 9 таблиць. Загальний обсяг дисертації – 183 сторінки.
Основний зміст роботи
У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовані мета, наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, а також наведені відомості про апробацію отриманих результатів.
У першому розділі проаналізовано проблеми математичного моделювання взаємовпливу режимів електричних мереж ЕЕС, методи аналізу та керування взаємними та транзитними перетоками потужності на етапі експлуатації з урахуванням особливостей побудови ієрархічної структури керування ЕЕС, а також обґрунтовано та аргументовано задачі наукового дослідження. Відзначено основні фактори, що впливають на вдосконалення систем керування ЕЕС, та проаналізовано тенденції їх розвитку.
Проведений аналіз методів оцінки взаємовпливу виявив, що в залежності від використаних припущень та наближень, наявні методики розподілу втрат можуть бути поділені на наступні групи, які засновані на пропорційному розподілі, коефіцієнтах приросту втрат на передачу потужності та дольовому розподілі. Ці методи дозволяють виконувати розрахунок перетоків потужності від кожного окремого джерела енергії або суб’єкта енергетичного об’єднання, як з однозначно заданою інформацією, так і з імовірнісно-статистичним оцінюванням втрат (регресійний аналіз). Використання вказаних методів, як правило, призводить до виникнення похибки, допустимої на етапі планування втрат електроенергії. Однак, в замкнених та складно-замкнених електричних мережах збільшується вплив режимних факторів, інформація про які практично відсутня на етапі планування. Це може викликати похибки під час визначення додаткових технічних втрат електроенергії при відхиленні режиму електричних мереж від планового.
Отже, розробка ефективного методу та математичної моделі для аналізу взаємовпливу режимів електричних мереж ЕЕС та вдосконалення на її основі системи оптимального керування потоками потужності в ЕЕС є актуальною задачею. Побудова ефективного алгоритму керування взаємними і транзитними перетоками потужності електричних мереж дозволить здійснювати оптимізацію нормальних режимів ЕЕС в темпі процесу з урахуванням сучасних вимог до технологічного процесу.
У другому розділі розроблено метод визначення коефіцієнтів розподілу втрат потужності з лінійним представленням навантаження і використанням результатів розрахунку усталеного режиму. Сформульовано умови оптимальності взаємних і транзитних перетоків потужності в ЕСС з урахуванням коефіцієнтів трансформації регулювальних трансформаторів. На їх підставі, з використанням узагальнюючих методів теорії подібності, отримано вирази для визначення зрівнювальних е.р.с., введення яких в замкнені контури схеми забезпечує оптимальність взаємовпливу режимів електричних мереж ЕЕС.
Розроблений в дисертації метод визначення коефіцієнтів розподілу втрат потужності з лінійним представленням навантаження базується на тому, що втрати у довільній вітці схеми ЕЕС від навантаження довільного вузла, можуть бути визначені через спад напруги у цій вітці та частковий струм, що зумовлений навантаженням даного вузла та розраховується з використанням матриці струморозподілу. Вузлові напруги та струмові навантаження визначаються з результатів розрахунку усталеного режиму ЕЕС при зафіксованих значеннях потужностей у вузлах. Розрахунок режиму може виконуватися за допомогою промислових програм розрахунку усталених режимів.
На базі розробленої моделі нормального режиму, незалежними параметрами якої є напруги та потужності у вузлах, розраховується матриця коефіцієнтів розподілу втрат потужності кожний рядок якої визначається
(1)
де – вектор-рядок матриці коефіцієнтів розподілу втрат потужності для і-тої вітки схеми від потужності у вузлах ЕЕС; – і-й рядок комплексної матриці зв’язків віток у вузлах з урахуванням коефіцієнтів трансформації, яка за структурою подібна до матриці з’єднань віток у вузлах , але замість значень “–1” для вузлів кінця віток з трансформаторами вона містить їх коефіцієнти трансформації; – діагональна матриця напруг у вузлах без урахування балансувальних вузлів; - транспонований вектор напруг у вузлах, включаючи балансувальні (тут і далі індекс “t” означає, що матриця або вектор транспоновані, а знак означає, що вони спряжені).
В (1) матриця коефіцієнтів струморозподілу визначається за формулою:
(2)
де – комплексна матриця зв’язків з урахуванням коефіцієнтів трансформації, що за структурою подібна до матриці з’єднань віток у вузлах (без врахування балансувальних вузлів), але замість значень “–1” для вузлів кінця віток з трансформаторами містить їх спряжені коефіцієнти трансформації; – діагональна матриця комплексних опорів віток схеми електричної мережі;
Втрати в і-й вітці ЕЕС від незбалансованих коефіцієнтів трансформації трансформаторів і автотрансформаторів зв’язку визначаються:
(3)
де – вектор напруг у базисному та балансувальних вузлах; – має фізичний зміст провідностей, що обумовлюють зрівнювальні струми від е.р.с., викликаних незбалансованими коефіцієнтами трансформації у замкнених контурах ЕЕС, та визначається за виразом:
, (4)
де – підматриця матриці , стовпці якої відповідають балансувальним вузлам ЕЕС; – фрагмент матриці вузлових провідностей, що відповідає балансувальним вузлам.
Використовуючи коефіцієнти розподілу втрат (1) та значення втрат (3) вираз для визначення вектора втрат потужності у вітках схеми запишеться таким чином:
. (5)
Матриця коефіцієнтів розподілу втрат має розмірність , де m – кількість вузлів, а n кількість віток в схемі. Кожен її ij–й коефіцієнт вказує на частку втрат потужності, викликаних навантаженням відповідного і –го вузла у j–й вітці.
Складові вектора розмірністю n є втратами потужності у вітках схеми ЕЕС, що зумовлені незбалансованими коефіцієнтами трансформації трансформаторів зв’язку у замкнених контурах. Ця складова втрат потужності може збільшувати, або зменшувати сумарні втрати потужності в залежності від напрямку е.р.с. небалансу у замкнених контурах схеми ЕЕС.
Встановлено залежність втрат потужності, зумовлених взаємними і транзитними перетоками в ЕЕС, від неоднорідності електричних мереж, а також отримано умови оптимальності розподілу взаємних і транзитних перетоків потужності в ЕЕС з приведенням параметрів її заступної схеми до однієї напруги:
, (6)
де – матриця коефіцієнтів струморозподілу розрахункової схеми ЕЕC, в якій опори віток представлені тільки їх активними опорами (заступна r-схема ЕЕС); – матриця вузлових опорів заступної r-схеми ЕЕС; Ia, Ip, , – вектори активних і реактивних складових струмів у вітках; Ja , Jp, , – вектори активних і реактивних складових вузлових (задаючих) струмів; r – діагональна матриця активних опорів віток; M' – матриця з’єднань віток у вузли мережі, в якій викреслені рядки, що відповідають генеруючим вузлам; –невизначені множники Лагранжа; (індекс “в” – відповідає струмам в заступній схемі, які є причиною або зумовлюють взаємні і транзитні перетоки в ЕЕС.
Отже, економічним втратам активної потужності від взаємних і транзитних перетоків відповідає розподіл активних і реактивних потужностей в схемі ЕЕС тільки з активними опорами її елементів (r-схемі). Показано, що за умови врахування комплексних коефіцієнтів трансформації в заступній схемі ЕЕС оптимальному (економічному) струморозподілу в ЕЕС також відповідає струморозподіл у її заступній r-схемі із збалансованими коефіцієнтами трансформації.
Наближення струморозподілу в ЕЕС до оптимального може бути забезпечене введенням в замкнені контури зрівнювальних е.р.с. В реальних ЕЕС їх введення здійснюється за допомогою трансформаторів, автотрансформаторів та спеціальних кросс-трансформаторів і вольтододавальних трансформаторів.
На підставі отриманих умов оптимальності взаємовпливу режимів електричних мереж ЕЕС розроблено математичну модель зрівнювальних е.р.с.:
, (7)
де – матриця зв’язків віток у контурах заступної схеми ЕЕС з урахуванням комплексних коефіцієнтів трансформації, що на відміну від матриці з’єднань N для віток, які входять в і–ий контур, містить добутки комплексних коефіцієнтів трансформації трансформаторних віток в напрямку обходу цього контуру; – вектор е.р.с. у незалежних контурах схеми, зумовлених незбалансованими коефіцієнтами трансформації; – матриця коефіцієнтів струморозподілу, визначена для заступної r-схеми зі збалансованими коефіцієнтами трансформації; – вектор-стовпець задаючих струмів у вузлах схеми ЕЕС з взаємними і транзитними перетоками.
Головною перевагою даної моделі зрівнювальних е.р.с. є можливість враховувати вплив наявних струмів небалансу від незбалансованих коефіцієнтів трансформації на взаємні перетоки потужності ЕЕС.
Використовуючи методи теорії подібності, отримана математична модель зрівнювальних е.р.с. у критеріальній формі:
; , (8)
де – матриці критеріїв подібності , що визначаються псивними параметрами заступної схеми ЕЕС та параметрами її базисного режиму (оптимального режиму ЕЕС за напругами та коефіцієнтами трансформації).
Введення зрівнювальних е.р.с. в замкнені конури ЕЕС компенсує неоптимальність взаємних і транзитних перетоків в ній та наближає її втрати потужності до економічних.
У третьому розділі розроблено алгоритми практичної реалізації методів оцінки та аналізу взаємовпливу електричних мереж ЕЕС, а також оптимального керування взаємними та транзитними потоками потужності з використанням розроблених математичних моделей. На основі розроблених алгоритмів модифіковано програмний комплекс аналізу чутливості та оптимізації нормальних режимів ЕЕС (АЧП) з метою розширення його можливостей для задач аналізу та структурування втрат електроенергії в ЕЕС.
Відповідно до розробленого методу визначення коефіцієнтів розподілу втрат потужності з лінійним представленням навантаження розроблено алгоритм його практичної реалізації (рис. 1). Він призначений для визначення втрат потужності від взаємовпливу режимів електричних мереж будь-якої конфігурації з врахуванням коефіцієнтів трансформації у явному вигляді. Розрахунок ведеться за списком віток , в яких необхідно визначити втрати потужності викликані протіканням навантажень вузлів іншої мережі, що входять до списку вузлів . За допомогою цього алгоритму, може бути виконано якісну і кількісну оцінку впливу взаємних і транзитних перетоків потужності на рівень додаткових втрат у ЕЕС. Представлення коефіцієнтів трансформації у явному вигляді дозволяє виконувати оцінку ефективності керувальних впливів на рівень втрат як у енергосистемі загалом, так і у її окремих електричних мережах.
Рис. 1. Алгоритм визначення втрат потужності в заданій електричній мережі
Реалізація розробленого методу дослідження взаємовпливу ввикористанням коефіцієнтів розподілу втрат значно ускладнена надмірністю операцій з матрицями та їх перетвореннями. З метою спрощення розрахунків, розроблено алгоритм наведеного методу, в якому використовуються функціональні залежності між параметрами режиму без застосування апарату матричної алгебри.
Для реалізації оптимального керування взаємними та транзитними потоками потужності в роботі використано двоконтурну адаптивну систему керування з імітаційною моделлю. Відповідно до обраної системи керування розроблено алгоритм прийняття рішення відносно доцільності оптимального керування взаємовпливом режимів ЕЕС, який наведено на рис.2, та алгоритм формування керувальних впливів, для оптимізації взаємних і транзитних перетоків, які використовуються у контурах, відповідно, оперативного та автоматичного керування.
Рис. 2. Алгоритм прийняття рішення відносно доцільності оптимального керування взаємовпливом
Прийняття рішення відносно доцільності керувальних впливів передбачає аналіз додаткових втрат від взаємовпливу режимів ЕЕС. Доцільність впровадження керувальних впливів визначається за результатами порівняльного аналізу втрат від взаємовпливу для поточного та відповідного оптимального режимів ЕЕС.
Для впровадження керувальних впливів визначаються оптимальні коефіцієнти трансформації з урахуванням локальних параметрів за алгоритмом, наведеним на рис. 3. Аналогічна процедура виконується і в контурі адаптації, але врахування параметрів, що телевимірюються на об’єкті керування, дозволяють підвищити адекватність керування.
Рис. 3. Алгоритм визначення оптимальних коефіцієнтів трансформації
Таким чином, сумісне використання розроблених алгоритмів адаптації оптимальних рішень та автоматичного керування дозволяє підвищити ефективність оптимізації втрат потужності від взаємовпливу режимів ЕЕС.
У четвертому розділі на прикладі реальних ЕЕС показана працездатність та ефективність методів і алгоритмів, запропонованих у попередніх розділах. Виконано розрахунки з оцінки взаємовпливу режимів електричних мереж ЕЕС та визначено оптимальні керувальні впливи, які реалізуються трансформаторами з поздовжньо-поперечним регулюванням.
Ефективність та працездатність розробленого методу та алгоритму розподілу втрат потужності показано на прикладах реальних електричних мереж.
Відповідно до алгоритму наведеному на рис.1, для фрагменту схеми мережі 110-330 кВ, виконано розрахунок усталеного режиму за допомогою промислової програми розрахунку усталеного режиму “ГрафСканер”. Результати розрахунку та топологія схеми мережі наведено на рис. 4
Рис. 4. Фрагмент схеми ПЗЕС 330-110 кВ
Сумарні втрати у мережах вищої (ВН) і нижчої напруги (НН) відомі з результатів розрахунку усталеного режиму складають:
.
На підставі отриманих з розрахунку усталеного режиму спадів напруг по вітках схеми визначено, відповідно до (1), матрицю коефіцієнтів розподілу втрат потужності:
802 | 819 | 825 | 837 | 818 | 801 | 826
5,31+22,86j | 5,9+22,3j | 6,06+23,51j | 5,66+24,17j | 6,39+21,65j | 6,93+20,73j | 8,3+24,55j | 1
11,1+30,7j | 12,3+31,3j | 12,1+27,8j | 11,6+30,3j | 13,3+30,6j | 13,96+29,2j | 11,85+23,6j | 2
3,22+4,03j | 4,67+5,38j | 1,25-0,24j | 2,02+1,84j | 5,37+5,35j | 5,53+5,06j | -5,24-4,7j | 3
2,1+2,3j | 11,47+31,25j | 1,65+1,26j | 1,86+1,83j | 19,49+37,2j | 0,14+0,15j | 0,18+0,18j | 4
42,7+72,5j | 18,36+14,1j | 35,9+40,03j | 38,46+57,49j | 1,9+1,19j | -2,01-2,3j | -0,05+0,22j | 5
-0,69+3,46j | -20,86+31,4j | -0,04+2,35j | -0,43+2,93j | 0,52-2,11j | -0,05+0,23j | -0,04+0,28j | 6 | 10–3.
-2,34+13,52j | 0,33+5,05j | -12,45+31,5j | -7,84+24,65j | -0,23+2,16j | -0,26+1,38j | 0,08-0,52j | 7
-9,45+3,63j | 30,94-12,68j | -5,77+3,5j | -7,76+3,45j | 5,91-1,97j | -0,62+0,23j | -0,76+0,34j | 8
0,01+6j | 0,52+2,15j | -1,2-15,15j | -1,45-5,87j | 0,06+0,95j | -0,01+0,62j | -0,01-0,23j | 9
-1,12+0,3j | -0,37+0,2j | 2,76-0,97j | 18,9-1,63j | -0,17+0,06j | -0,12+0,03j | 0,04-0,01j | 10
1,12+0,75j | 0,47+0,17j | -2,98-1,68j | 20,07+14,13j | 0,19+0,107j | 0,11+0,08j | -0,04-0,03j | 11
Використовуючи уточнені за статичними характеристиками потужності навантаження вузлів схеми |
802 | 819 | 825 | 837 | 818 | 801 | 826
362,9+106,3j | 75,7+14,7j | -1,1j | 35,3+31,1j | 153,2+98,7j | 0,37-34,15j | -155,6-163,2j | МВА
та у відповідності з алгоритмом (рис.1) для заданого списку віток =(8, 9, 10, 11) мережі НН і списку вузлів =(818, 801, 826) мережі ВН отримано втрати потужності у мережі НН від навантажень мережі ВН: |
818 | 801 | 826
8 | 5,91-1,97j | -0,62+0,23j | -0,76+0,34j | 153,2+98,7j | 1,281+0,374j
= | 9 | 0,06+0,95j | -0,01+0,62j | -0,01-0,23j | 0,37-34,15j | 10–3 | = | -0,099+0,189j | МВА
10 | -0,17+0,06j | -0,12+0,03j | 0,04-0,01j | -155,6-163,2j | -0,039-0,008j
11 | 0,19+0,107j | 0,11+0,08j | -0,04-0,03j | 0,023+0,043j
Таким чином, втрати від впливу взаємних перетоків мережі ВН у мережі НН складають .
З отриманих результатів видно, що перетоки мережі ВН завантажують мережі нижчої напруги та призводять до виникнення в них додаткових втрат потужності.
Аналогічно отримано втрати у мережі ВН від навантажень мережі НН , а також втрати потужності від власних навантажень мережі НН та мережі ВН .
Відповідно до розробленого методу втрати потужності обумовлені е.р.с. незбалансованих коефіцієнтів трансформації для мережі НН становлять та для мережі ВН .
В отриманих результатах умовні втрати потужності з від’ємним знаком вказують на те, що потік обумовлений е.р.с. небалансу направлений зустрічно до основного перетоку і зменшує його.
Значення сумарних втрат, розрахованих за розробленим методом, становить
та практично співпадає з результатами розрахунку усталеного режиму.
З метою перевірки ефективності вдосконаленого методу формування оптимальних керувальних впливів виконано обчислювальний експеримент з визначення та імітації введення зрівнювальних е.р.с. в замкнені контури схеми мережі 110-330 кВ, наведеної на рис. 4.
Після оптимізації коефіцієнтів трансформації додаткові втрати потужності у мережі НН зменшились до , в мережі ВН до , а сумарні втрати потужності всієї мережі склали . Тобто, сумарні втрати активної потужності зменшились на 28%.
Отримані результати дозволяють зробити висновки про необхідність врахування у взаєморозрахунках між суб’єктами ЕЕС та оцінки чисельного значення складової, що пов’язана з додатковими втратами потужності електричних мереж, викликаних взаємними і транзитними перетоками.
Аналогічні розрахунки проведено на прикладі більш складного фрагменту 110–750 кВ Південно-Західної ЕЕС, що містить еквівалентовані мережі обласних енергокомпаній.
Результати розрахунку оптимальних керувальних впливів для одного з автотрансформаторів зв’язку (827-826) Південно-Західної ЕЕС напругою 750-330 кВ представлено у вигляді графіків зміни складових коефіцієнту трансформації протягом доби на рис. 5. За результатами обчислювального експерименту відзначено зниження втрат потужності в ЕЕС для характерних режимів (до 10%). На рис. 6 представлено добовий графік втрат потужності до та після оптимізації.
Таким чином, запропоновані в роботі методи та алгоритми оптимального керування взаємними і транзитними перетоками електроенергетичних систем можуть бути ефективно використані для зниження втрат потужності в ЕЕС, а у поєднанні з існуючим локальним регулятором забезпечують можливість автоматизації даного процесу.
Основні результати та Висновки
У роботі наведено нове вирішення актуальної задачі керування взаємними та транзитними потоками потужності в електричних мережах ЕЕС, що полягає у розробці математичних моделей та методів формування умов оптимальності взаємовпливу електроенергетичних систем засобами автоматичного керування.
1. Аналіз наявних методів розподілу втрат потужності показав необхідність вдосконалення методу визначення додаткових втрат електроенергії в ЕЕС, викликаних взаємовпливом режимів електричних мереж ЕЕС. Встановлено залежність втрат потужності, зумовлених взаємними і транзитними перетоками в ЕЕС, від неоднорідності електричних мереж, яку використано для вдосконалення системи оптимального керування і зменшення втрат електроенергії в електричних мережах.
2. Визначення коефіцієнтів розподілу втрат потужності з лінійним представленням навантаження і використанням результатів розрахунку усталеного режиму дозволяє для заданої частини електричної мережі визначати втрати потужності від окремих вузлів навантаження, що належать іншій частині мережі.
3. Розроблено алгоритм оцінки взаємовпливу режимів електричних мереж ЕЕС за критерієм додаткових втрат, в якому використовується метод визначення коефіцієнтів розподілу втрат потужності. Значення показників міри взаємовпливу режимів електричних мереж доцільно використовувати для обґрунтованого врахування та розподілу додаткових втрат від взаємних і транзитних перетоків між суб’єктами енергообміну.
4. В роботі показано, що оптимальний струморозподіл в мережі ЕЕС з транзитом співпадає зі струморозподілом у її заступній r-схемі зі збалансованими коефіцієнтами трансформації. Таким чином, скерування поточного режиму ЕЕС з дотриманням режимних обмежень до відповідного оптимального режиму забезпечує мінімум додаткових втрат активної потужності.
5. Сформульовані умови оптимальності взаємних і транзитних перетоків дозволили вдосконалити закони оптимального керування ними та мінімізувати додаткові втрати від взаємних і транзитних перетоків в електричних мережах, об’єднаних на паралельну роботу в ЕЕС.
6. Розроблені алгоритм прийняття рішення щодо доцільності керувальних впливів та алгоритм оптимального керування втратами від взаємних і транзитних перетоків в ЕЕС, які реалізовані за допомогою пристрою керування, дозволили автоматизувати ряд функцій оперативного керування потоками потужності та напругою в ЕЕС.
7. Працездатність і ефективність запропонованих у роботі методів і алгоритмів перевірена шляхом проведення розрахунків з оптимізації та керування потокорозподілом реальних електроенергетичних систем. На основі розроблених методів та алгоритмів модифіковано програмний комплекс аналізу чутливості та оптимізації нормальних режимів ЕЕС (АЧП) та передано для дослідної експлуатації у Південно-Західну енергетичну систему. Його впровадження дозволяє додатково знизити втрати електроенергії в ЕЕС за рахунок більш ефективного використання наявних регулювальних пристроїв і раціональних алгоритмів на 0,3–0,6%, а в деяких мережах нижчої напруги на 20–30%.
Список опублікованих праць за темою дисертації
1. Лежнюк П.Д., Кулик В.В., Бурикін О.Б. Функціональна залежність складових втрат потужності у вітках електричної мережі від потужності у вузлах // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2005. – № 4. – С. 58-62.
2. Бурикін О.Б. Керування транзитними втратами потужності в електроенергетичних системах // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2005. – №6. – С. 121-126.
3. Кулик В.В., Бурикін О.Б., Коваль Ю.В. Програмне забезпечення визначення та розподілу втрат потужності в об’єднаних енергосистемах від взаємних і транзитних перетоків // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 2005. – №2. – С. 109-116.
4. Лежнюк П.Д., Кулик В.В., Бурикін О.Б. Оцінка взаємовпливу електричних мереж енергосистем з трансформаторними зв'язками // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск: проблеми сучасної електротехніки. – 2006. Ч.7. – С. 27–30.
5. Лежнюк П.Д., Кулик В.В., Бурикін О.Б. Втрати потужності в електроенергетичних системах від транзитних перетікань // Енергетика та електрифікація. – 2006. – №3. – С. 26-33.
6. P. Lezhnuk, V. Kulyk, and O. Burykin. Electroenergy Systems Interference Analysis. // Proceedings of the ХІІІ International Symposium on Theoretical Electrical Engineering ISTET’05. – Lviv, Ukraine.– 2005. – P. 365 – 367.
7. Лежнюк П.Д., Кулик В.В., Бурикін О.Б. Додаткові втрати електроенергії в електричних мережах, що працюють паралельно // Електроінформ. – 2006. – №1. – С. 15-17.
8. Лежнюк П.Д., Кулик В.В., Бурыкин А.Б. Определение и анализ потерь мощности от транзитных перетоков в электрических сетях энергосистем методом линеаризации // Электрические сети и системы. – 2006. – №1.– С. 5-11.
АнотаціЇ
Бурикін О.Б. Взаємовплив електричних мереж електроенергетичної системи в процесі оптимального керування їх режимами. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.02 – Електричні станції, мережі і системи. – Вінницький національний технічний університет, Вінниця – 2007.
Дисертацію присвячено розробці методу дослідження взаємовпливу режимів електричних мереж ЕЕС. Показано, що врахування взаємних і транзитних перетоків потужності та оптимальне керування ними дозволяють зменшити додаткові втрати електроенергії у енергосистемі. Розроблений у роботі метод визначення коефіцієнтів розподілу втрат потужності з лінійним представленням навантаження, дозволяє визначити втрати потужності в довільній вітці електричної мережі від довільного вузла навантаження. Сформульовані умови оптимальності взаємних і транзитних перетоків ЕЕС. Вдосконалено метод визначення оптимальних зрівнювальних е.р.с. у критеріальній формі. Для практичної реалізації оптимального керування розроблено алгоритми визначення доцільності оптимального керування взаємними і транзитними перетоками ЕЕС та визначення оптимальних керувальних впливів.
Ключові слова: електроенергетична система, нормальний режим, взаємовплив, транзит, оптимальне керування, критеріальне моделювання.
Burykin O.B. United power system electric networks interference in the process of their modes optimum control. – a Manuscript.
Dissertation for scientific degree of Candidate of Science (Engineering) on specialty 05.14.02 – Electric power stations, networks and systems. – Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia – 2007.
The given dissertation is devoted to electric networks of the united power system flow interference research method development. Using an overlay method and linear model of the current electric power system (EPS) mode with taking into account non linearity of the real correlations between the parameters of EPS the method of losses coefficients matrix forming is developed. Method allows define the power losses for the given part of electric network, from given busloads that belong to other part of network on the basis of flow calculation. On the basis of the least action principle the terms of power flow optimality in EPS with interference are formed. The method of the transformers optimum management laws forming in a criterion form is developed. For optimal control practical realization the algorithms of the developed methods are created.
Keywords: electric power system, normal mode, interference, transit, optimum management, criterion modeling.
Бурыкин А.Б. Взаимовлияние электрических сетей электроэнергетической системы в процессе оптимального управления их режимами . – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.02 – Электрические станции, сети и системы. – Винницкий национальный технический университет, Винница – 2007.
Диссертация посвящена разработке метода анализа взаимовлияния режимов электрических сетей объединенной электроэнергетической системы (ЭЭС). Проведён анализ существующих методов оценки взаимовлияния електрических сетей ЭЭС. Показано, что учёт взаимных и транзитных перетоков мощности и оптимальное управление ними позволяет уменьшить дополнительные потери электроэнергии в энергосистеме.
Использовав представление нагрузки ЭЭС в линейном виде с учётом нелинейности реальных соотношений между её параметрами, разработан метод формирования матрицы коэффициентов распределения потерь мощности. Его использование позволяет для заданного перечня ветвей, определить потери мощности от отдельных узлов нагрузки, которые принадлежат другой части сети, на основе результатов расчёта установившегося режима. Полученные коэффициенты могут быть использованы для учёта и обоснованного распределения дополнительных потерь от взаимных и транзитных перетоков между субъектами энергообмена.
Получены условия оптимальности взаимных и транзитных перетоков в форме аналитических выражений, которые показывают, что оптимальное токраспределение в сети ЭЭС с транзитом совпадает с токораспределением в её r-схеме замещения со сбалансированными коэфициентами трансформации и обеспечивает минимум потерь мощности.
Усовершенствован метод формирования законов оптимального управления трансформаторами с продольно-поперечным регулированием в критериальной форме. Для практической реализации оптимального управления разработаны алгоритмы определения необходимости оптимального управления взаимовлиянием режимов ЭЭС, а также определения оптимальных коэффициентов трансформации с учётом настроечных параметров.
Работоспособность и эффективность предложенных в работе методов и алгоритмов проверена путём проведения расчетов оптимальных коэффициентов трансформации регулирующих устройств и имитации их введения на примерах электроэнергетических систем.
Ключевые слова: электроэнергетическая система, нормальный режим, взаимовлияние, транзит, система автоматического управления, оптимальное управление, критериальное моделирование.
Підписано до друку 12.02.2007 р. Формат 29.7 42 ?
Наклад 100 прим. Зам. № 2007-021
Віддруковано в комп’ютерному інформаційно-видавничому центрі
Вінницького національного технічного університету.
м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95. Тел.: 59-81-59
